基于传统光学成像系统的质心定位原理的角度测量技术一般存在测量精度的上限,约为像素的1/100。因此,要提高角度测量精度一般需要采用更长的镜头焦距和更大靶面的相机,增加了体积、重量和功耗,不利于设备的小型化,也不利于在对体积、重量和功耗有限制的平台(例如卫星和飞机等)上应用。基于计算干涉测量的远距离目标高精度角度测量技术,利用光学干涉的方法将目标光的角度变化转换为干涉条纹相位变化。因相位变化的测量精度可通过成熟的插值方法实现1/1000周期的精度,故干涉测量的角度精度相比传统光学方法大大提高。本文主要介绍基于计算干涉测量的远距离目标高精度角度测量技术的基本原理、主要特点、研究进展和存在的难点,希望通过该文引起广大同行的研究兴趣,一起推动该技术的快速发展和工程应用。

为实现从单站光测图像中估计出已知3D模型的空间目标姿态,利用Vega Prime提出了一种采用仿真图像进行相关度局部最优搜索的姿态估计方法, 该方法无需建立2D-3D特征投影关系和大量的模型匹配库。首先, 对输入图像进行图像预处理, 获得目标原始图像。然后, 利用Vega Prime加载目标3D模型生成仿真匹配图像, 并进行图像预处理获得目标匹配图像,计算两幅图像相关度。最后, 更新3D目标模型姿态, 直至仿真匹配图像与目标原始图像的相关度值取得局部最优, 输出目标模型姿态。仿真实验结果表明, 采用本文所提方法的观测仿真图像姿态平均估计误差为385°,仿真原图可实现姿态准确估计, 表明该方法是一种空间目标姿态估计的有效方法。

为了对图像中的显著目标进行更精确的识别, 提出一种新的基于多尺度区域对比的视觉显著性计算模型。首先基于多尺度思想将图像分别分割为不同数目的超像素, 对超像素内的像素颜色值取平均以生成抽象化图像; 然后根据显著特征的稀少性及显著特征的聚集性, 计算单一尺度下超像素颜色特征的显著性值; 最后通过取各尺度超像素显著度的平均值来融合多尺度显著图, 得到最终的视觉显著图。实验表明, 以MSRA图库中的1 000张随机自然图片为例, 该模型较现有较好的区域对比模型, 显著目标识别的精确率提高了148%, F-Measure值提高了92%。与现有的算法相比, 该模型提高了算法对显著目标大小的适应性, 减少了背景对显著目标识别的干扰, 具有更好的一致性, 能更好地识别显著目标。

介绍了四棱锥传感技术的基本原理和数学模型.当以调制模式工作时,可计算复原矩阵或梯度矩阵.分析了调制半径在不同像差条件下对复原速度和精度的影响,对无调制模式采用复原矩阵进行了仿真,并与调制模式进行了对比.实验结果表明:无调制状态下,经过校正,残差RMS可减至0.05,调制状态下,梯度矩阵重构效果较好,残差RMS可减至0.02;对大像差的输入信号,调制模式的精度和速度都优于无调制模式.结果表明,四棱锥波前传感技术具有高速度、高精度和灵活的工作模式,是一种先进的波前传感技术.

设计了一种新的强度相干成像室内实验方法, 以简化现有强度相干实验过程, 获取接近实际观测的测量数据。首先, 分析了强度相干成像原理及影响成像质量的因素;介绍了现有强度相干成像实验方法并分析其存在的不足。然后, 利用赝热光源和CCD设计了一种新的强度相干成像方法;介绍了利用此种方法模拟强度相干成像的原理及特点。最后, 进行了室内强度相干成像实验, 验证了提出方法的可行性。实验结果表明: 利用提出的实验方法能够较好地测量目标的空间功率谱, 测量噪声主要分布在高频部分;当测量信噪比大于20时, 利用相位恢复方法可恢复获得较好的目标光强分布图像。实验显示, 提出的成像方法能够较好地模拟强度相干成像, 实验中能够较为方便地调节光强随机涨落并观测基线参数, 实现对小角直径目标的有效成像。

为提高波前传感器的波前探测速率，研究了基于全息术的无计算波前传感新方法。在薄全息图近似下，推导出基于快速傅里叶变换(FFT)算法的数值模型，并数值模拟了全息波前传感器对低8阶Zernike项像差的探测过程。结果表明，波前探测误差均方根值（RMS）为0.24 rad。搭建实验平台对数值模拟的结果进行了验证，波前探测误差RMS值达到0.29 rad。实验结果表明，基于全息术的无计算波前传感方法可以高效探测低阶Zernike像差。

针对自适应光学系统非共光路像差检测中遇到的若干实际问题, 设计了基于多通道相位差异法的波前探测器, 用于在不对光路进行任何改变的前提下定量测量自适应光学系统的第一像面到成像相机之间的像差。与前人的双通道相位差异波前探测器相比, 该方法对波前具有更强的约束力, 从而能够对目标光源的形状容忍力更强, 理论上对波前求解的精度更高。将该方法应用于1.23 m口径自适应光学系统的非共光路的静态像差测量, 取得了良好的效果, 为光路装调带来了极大的方便。将测得的像差直接用于变形镜的初始偏置, 大大提高了成像质量。

为提高空间目标温度的测量精度而进行波段优选方法的探索。建立空间目标温度测量数学模型和波段优选评价函数数学模型，仿真分析探测波段对红外系统的测温灵敏度、温度分辨力和信噪比的影响，实现系统探测波段的优选。仿真结果表明，优选的探测波段为中心波长范围8.0 μm～9.6 μm，波段宽度60 nm，温度分辨力最高可达到0.06 K，同时可获得大于5的信噪比。结论：提出的方法可以使测温灵敏度和温度分辨力分别平均有8.7%和11.3%的提高。

提出了一种基于PIX总线的千单元可扩展波前探测图像恢复技术。采用波前探测与图像恢复相结合的方式来克服大气扰动和系统像差对图像分辨率的影响，满足大型地基望远镜高分辨率成像的需求。首先利用波前探测的方法得到波前相位畸变量，再由此恢复退化图像。其核心部件-波前处理器则采用波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合的方式来满足不同光学系统对波前处理规模的需求，波前空间采样数可扩展至千单元数量级。系统在室内进行了激光光源图像恢复实验，使激光光源的能量集中度提高50%左右；在室外对恒星和0.6″的双星图像进行了恢复，其半高全宽下降了约80%。系统采用大规模现场可编程门阵列(FPGA)作为波前处理的核心器件，实现了波前探测的实时处理和透过大气成像的退化图像的高分辨率图像恢复。

提出了一种用相位差异(PD)技术对自适应光学(AO)系统的非共光路静态像差进行校准的方法。相位差异技术通过采集焦面和离焦面的单帧或多帧短曝光图像来估算波前相位畸变，同时对目标图像进行恢复。在闭环工作条件下，自适应光学系统利用相位差异算法在线检测成像光路的静态像差，并将得到的像差系数转化为变形镜的初始化面形，从而补偿非共光路的静态像差。实验结果表明，校准后的成像质量显著提高，目标半峰全宽降低了约14%，系统残差降低了约72%。成像光路在线检测得到的系统残差与闭环回路实测残差的水平趋于一致，证实了相位差异技术应用于光学检测的能力。该方法具有在无需改变原有自适应光路以及高信噪比条件下便可精确解算系统像差的优点，是大口径光电成像系统较为理想的光学检测技术之一。